一种八梁对称硅微加速度计的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种八梁对称硅微加速度计。所述电容式微加速度计从上到下包括上硅电极板、敏感芯片和下硅电极板三部分。敏感芯片为“质量块—悬臂梁”微结构。悬臂梁总共八根，对称分部在质量块四周，质量块处于中间水平位置。质量块厚度和所采用硅片一致，形状为多边形以效地利用空间，使得质量得到了很大提高，可以获得较小的器件噪声和更大的灵敏度。微加速度计采用全硅工艺，硅电极板和敏感芯片通过硅-硅熔融键合，可以减少热膨胀系数不匹配等问题。通过双层SiO2工艺,在硅片表面形成质量块和梁的图形,避免了深槽光刻。?本发明的八梁对称硅微加速度计具有较高稳定性，器件噪声小，提高了加速度测量精度。
【专利说明】一种八梁对称硅微加速度计
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统【技术领域】，具体涉及一种八梁对称硅微加速度计，该加速度计精度高，线性度好，且长期稳定性好。
【背景技术】
[0002]导航系统、石油勘探、重力梯度计、地震监测等市场的日益发展对高精度和高稳定性(Kg量级)的微加速度计的需求越来越强烈。面向高精度和高稳定性的各种微加速度计正在不断发展研制中，其中硅微电容式的加速度计具有高灵敏度、良好的噪声性能、低漂移、低温度灵敏度等优点，所以在加速度计领域硅微电容式加速度计的研究占了相当大的部分。
[0003]硅微电容式加速度计的基本工作原理是在质量块一悬臂梁结构基础上，配合上、下电极板，制作出可变电容部分，当由于外界加速度作用产生电容变化时，通过微弱信号检测电路读出电容的变化量，即可描述相应的外界加速度值。经过标定和曲线拟合可以建立输出信号与被测加速度之间的函数关系，从而测量外界加速度。“质量块一悬臂梁”结构常通过刻蚀工艺形成。为了制作出较薄的梁，往往避不开深槽光刻等工艺。这样，一方面增加了工艺难度从而降低了成品率，另一方面难以获得质量较大的质量块，影响了加速度计性能的提高。对于一般的“质量块一悬臂梁”结构，质量块的重心不是整个结构的重心，所以悬臂梁与固定端的连接部分应力非常集中，大大影响了加速度计的长期稳定性。由于结构不对称、机械热噪声以及质量块重量有限等原因，目前微加速度计在线形度和精度方面都存在一些问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种具有平衡可动结构的八梁对称硅微加速度计，本发明的八梁对称硅微加速度计的精度能够达到Kg量级，输出稳定性达到每小时漂移Kg量级。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的。
[0006]本发明的八梁对称硅微电容式加速度计，其特征在于，所述的八梁对称微加速度计从上到下依次包括上硅极板、敏感芯片、下硅电极板。其中，敏感芯片包括感知加速度的多边形质量块和八根结构相同的，围绕多边形质量块对称分布的细薄平行四边形悬臂梁。上、下硅电极板与敏感芯片通过硅-硅键合连接，形成自封闭系统，气密性好。敏感芯片和上、下硅电极板通过各自的通孔实现对位。
[0007]质量块厚度和所采用硅片一致，形状为多边形以效地利用空间，使得质量得到了很大提高，可以获得较小的器件噪声和更大的灵敏度。
[0008]所述的敏感芯片中的第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁、第五悬臂梁、第六悬臂梁、第七悬臂梁、第八悬臂梁结构相同，横截面均为平行四边形结构，平行四边形的长对角线与悬臂梁的宽度方向一致，平行四边形的短对角线与悬臂梁的厚度方向一致，厚度与宽度的比为0.3?0.5。
[0009]第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁、第五悬臂梁、第六悬臂梁、第七悬臂梁、第八悬臂梁和质量块具有在厚度方向的同一中心面，便于释放应力提高器件长期稳定性。
[0010]第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第四悬臂梁的长度方向一致，第五悬臂梁、第六悬臂梁、第七悬臂梁、第八悬臂梁的长度方向一致，前四个悬臂梁与后四个悬臂梁的长度方向互相垂直。
[0011]所述悬臂梁的厚度与质量块的厚度比为0.04?0.06。
[0012]本发明的八梁对称硅微加速度计的制作过程，依次包括下列步骤(其中步骤a_d用于制作敏感芯片；步骤e用于制作上、下硅电极板):
Ca).第一次双面氧化硅片，双面光刻产生质量块和边框图形；
(b).第二次双面氧化硅片，双面光刻产生悬臂梁图形，此时悬臂梁上的S12厚度小于质量块及边框上的S12厚度；
(c).采用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀硅片，腐蚀深度为质量块厚度的1/4；
(d).采用BHF去掉悬臂梁上的S12，然后采用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀硅片至穿通，去除质量块和边框上的S12 ；
Ce).在硅电极板上氧化生长S12绝缘层，通过光刻和腐蚀去除电极板上和敏感芯片可动部分对应位置的S12 ；
Cf).将敏感芯片和上、下硅电极板进行硅-硅熔融键合；
(g).上、下极板上蒸发形成金属电极。
[0013]本发明的八梁对称硅微加速度计的制作步骤中的硅片为N型I?10 Ω cm的单晶硅硅片。
[0014]本发明的八梁对称硅微加速度计的工作原理为:在惯性加速度作用下，敏感芯片上的多边形质量块向某一侧硅极板运动时，质量块与两个极板的电容分别增大和减小，通过外围电路检测该差分电容的大小就可以知道加速度的大小。
[0015]本发明的微加速度计优点是:
1.全部结构采用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀形成，不仅避免了常用KOH腐蚀引入的金属离子，具有与IC电路兼容的优点，而且在不需要补偿结构的情况下对于多边形质量块凸角处的保护非常好，该工艺操作简单、可批量制作、成本低。
[0016]2.采用四甲基氢氧化铵溶液的腐蚀速率低，因此结构尺寸控制好、重复性好、成品率高。
[0017]3.所有氧化和光刻工艺均直接在晶片表面完成，无深槽光刻，操作简单，成品率闻。
[0018]4.整个工艺流程全部采用湿法化学过程，不受辐照影响且无电荷积累，有利于微加速度表的长期稳定性。
[0019]5.硅电极板和敏感芯片通过硅-硅熔融键合，能够减少热膨胀系数不匹配的问题，并且形成密闭自封装，提高了器件的长期稳定性。
[0020]6.多边形质量块的厚度和硅片的厚度一致，质量得到了很大提高，可以获得较小的器件噪声，提高了加速度测量精度。
[0021]7.可以根据量程和精度需要调整质量块的大小和悬臂梁的形状，增大了设计的灵活性。
[0022]8.由于八个悬臂梁呈对称位置连接质量块和框架，质量块处于水平位置，不仅在设计量程范围内线性度好，而且没有突出的应力集中点，减小了内部应力，提高了器件的长期稳定性。
[0023]9.采用八根结构相同悬臂梁固定中心质量块，结构对称，横向效应大大减小。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的八梁对称硅微加速度计结构示意图；
图2为本发明中的敏感芯片制备示意图；
图3为本发明中的在单晶硅片两侧第一次氧化出氧化层；
图4本发明中的敏感芯片边框和质量块外形；
图5本发明中的硅片裸露部分两侧第二次氧化出较薄氧化层；
图6本发明中的通过光刻和腐蚀产生梁外形示意图；
图7本发明中的双面腐蚀未受保护部分硅厚度至质量块四分之三示意图；
图8本发明中漂洗去除八根梁上面的S12 ；
图9本发明中腐蚀穿通硅片；
图10本发明中去除边框和质量块上的S12 ；
图11本发明中娃电极板绝缘层S12形成示意图；
图12本发明中硅电极板敏感芯片可动部分对应S12去除示意图；
图中，1.上硅电极板2.敏感芯片 3.下硅电极板21.敏感芯片边框22.多边形质量块231至238.八根悬臂梁201.敏感芯片单晶硅片202.S12 101.-上电极板硅片102-绝缘层S120
【具体实施方式】
[0025]图1为本发明的八梁对称硅微加速度计结构示意图，包括上电极板1、敏感芯片2和下电极板3三部分，通过硅-硅熔融键合实现整个芯片的圆片级封装。在敏感芯片内部设置有感知惯性加速度的多边形质量块，在质量块四周对称分布着八根结构相同，位于多边形质量块厚度方向中心平面的悬臂梁，质量块通过悬臂梁连接在边框上；硅电极板和敏感芯片之间由二氧化硅绝缘，通过硅一娃熔融键合连接。悬臂梁截面为平行四边形，平行四边形长对角线和短对角线的长度比值范围为1-10。悬臂梁在质量块厚度方向的厚度和质量块厚度比值范围为0.01-0.2。上硅电极板、敏感芯片、下硅电极板使用硅片制作，硅片均为N型I?10 Ω cm的单晶硅。
[0026]现结合具体实例及附图，对各部分的制备工艺流程作进一步详细说明。
[0027]敏感芯片为对称八梁-多边形质量块结构，其俯视图如图1所示，具体制备工艺流程如下(图不为A-A截面图):
1)选取选单晶硅片201，采用常规氧化工艺，硅片两侧生成S12氧化层202，如图2所示；
2)双侧光刻出敏感芯片边框和质量块图形后以BHF溶液漂洗S12,至此边框和质量块对应的区域被S12保护起来，如图3所示； 3)步骤2处理后，裸露出的硅片双侧氧化生成较薄的S12，边框和质量块位置对应的S12进一步增厚，如图4所示；
4)在较薄的S12I侧光刻出八根梁图形后以氢氟酸溶液漂洗S12，至此边框和质量块以及梁对应的区域均被S12保护起来，如图5所示；
5)采用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀硅片，腐蚀深度约为质量块厚度的1/4，由于四甲基氢氧化铵溶液腐蚀速度慢，腐蚀的厚度容易控制，如图6所示；
6)以氢氟酸溶液漂洗硅片上的S12直至梁上的S12完全消失即可，由于质量块和边框上的S12较厚因此未被完全清除，仍具备保护作用，如图7所示；
7)采用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀硅片，直至穿通，此时梁、质量块和边框均已形成，如图8所示；
8)以氢氟酸溶液漂洗硅片上质量块和边框上的S12，敏感芯片制作完成，制作出的梁成菱形，如图9所示。
[0028]由于上、下硅电极板的制作工艺和尺寸基本一致，这里仅以上极板为例描述上、下固定电极板的制备工艺流程，详细如下:
1)选单晶硅片101，在其和敏感芯片键合一面氧化生长2um厚绝缘层二氧化硅102，如图10所示；
2)然后在S12上旋途光刻胶，单面光刻出和敏感芯片可动部分对应的图形后以氢氟溶液腐蚀去除图形区域的S12，形成电极板如图11所示。
【权利要求】
1.一种八梁对称硅微加速度计，其特征在于:所述的微加速度计从上到下依次包括上娃电极板、敏感芯片、下娃电极板三部分；三部分通过娃一娃键合形成一个自封闭体系；在敏感芯片内部设置有感知惯性加速度的多边形质量块，在质量块四周对称分布着八根结构相同，位于多边形质量块厚度方向中心平面的悬臂梁，质量块通过悬臂梁连接在边框上；硅电极板和敏感芯片之间由二氧化硅绝缘，通过硅一娃熔融键合连接。
2.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于:悬臂梁截面为平行四边形，平行四边形长对角线和短对角线的长度比值范围为ι-?ο。
3.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于:悬臂梁在质量块厚度方向的厚度和质量块厚度比值范围为0.01-0.2。
4.根据权利要求1所述的微加速度计，其特征在于:上硅电极板、敏感芯片、下硅电极板使用硅片制作，硅片均为N型I?10 Qcm的单晶硅。
【文档编号】G01P15/125GK104198762SQ201410447900
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】唐彬, 谢国芬, 席仕伟, 程永生, 张德, 姚明秋 申请人:中国工程物理研究院电子工程研究所